Βιολόγοι Αρχική Σελίδα για τα μοτίβα Turing
Το 1952, ο Άλαν Τούρινγκ, ένας Βρετανός μαθηματικός γνωστός για το έργο του σχετικά με την παραβίαση κωδικών και την τεχνητή νοημοσύνη, καταδικάστηκε για εμπλοκή σε ομοφυλοφιλικές πράξεις και καταδικάστηκε σε χημικό ευνουχισμό. Μέσα σε αυτό το προσωπικό δράμα, βρήκε ακόμα τον χρόνο να δημοσιεύσει μια οραματική εργασία σχετικά με τα μαθηματικά των τακτικών επαναλαμβανόμενων μοτίβων στη φύση, που θα μπορούσε να εφαρμοστεί στις ρίγες στις τίγρεις και στα ψάρια ζέβρας, στις κηλίδες στις λεοπαρδάλεις και στην απόσταση στις σειρές των δοντιών αλιγάτορα. , για να αναφέρουμε μερικά.
Τώρα, περισσότερα από 60 χρόνια αργότερα, οι βιολόγοι αποκαλύπτουν στοιχεία για τους μηχανισμούς διαμόρφωσης που πρότεινε ο Τούρινγκ στην εργασία του, προκαλώντας αναζωπύρωση του ενδιαφέροντος για αυτούς, με τη δυνατότητα να ρίξουν φως σε τέτοια αναπτυξιακά ερωτήματα όπως το πώς τελικά τα γονίδια κάνουν ένα χέρι. «Αυτή η δομή είναι εκεί», είπε ο Τζέρεμι Γκριν, αναπτυξιακός βιολόγος στο King's College του Λονδίνου. "Απλώς πρέπει να βάλουμε τη χημεία στα μαθηματικά για να πάρουμε τη βιολογία."
Για το έργο που οδήγησε στην εργασία του το 1952, ο Turing ήθελε να κατανοήσει τον υποκείμενο μηχανισμό που παράγει φυσικά μοτίβα. Πρότεινε ότι μοτίβα όπως οι κηλίδες σχηματίζονται ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ δύο χημικών ουσιών που εξαπλώνονται σε ένα σύστημα όπως ακριβώς κάνουν τα άτομα αερίου σε ένα κουτί, με μια κρίσιμη διαφορά. Αντί να διαχέονται ομοιόμορφα όπως ένα αέριο, οι χημικές ουσίες, τις οποίες ο Turing ονόμασε «μορφογόνα», διαχέονται με διαφορετικούς ρυθμούς. Το ένα χρησιμεύει ως ενεργοποιητής για να εκφράσει ένα μοναδικό χαρακτηριστικό, όπως η λωρίδα μιας τίγρης, και το άλλο δρα ως αναστολέας, κλωτσώντας περιοδικά για να κλείσει την έκφραση του ενεργοποιητή.
Για να εξηγήσει την ιδέα του Τούρινγκ, ο Τζέιμς Μάρεϊ, ομότιμος καθηγητής μαθηματικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και εφαρμοσμένος μαθηματικός στο Πρίνστον, φαντάστηκε ένα χωράφι με ξερό γρασίδι διάστικτο με ακρίδες. Εάν το γρασίδι πυρπολούνταν σε πολλά τυχαία σημεία και δεν υπήρχε υγρασία για να εμποδίσει τις φλόγες, είπε ο Murray, οι πυρκαγιές θα πυροδοτούσαν ολόκληρο το χωράφι. Ωστόσο, εάν αυτό το σενάριο εκτυλισσόταν σαν μηχανισμός Turing, η θερμότητα από τις φλόγες που κατακλύζουν θα προκαλούσε ιδρώτα σε ορισμένες από τις ακρίδες που φεύγουν, βρέχοντας το γρασίδι γύρω τους και δημιουργώντας έτσι περιοδικά άκαυστα σημεία στο κατά τα άλλα καμένο χωράφι.
Η ιδέα ήταν ενδιαφέρουσα αλλά εικαστική. Ο Τούρινγκ πέθανε δύο χρόνια μετά τη δημοσίευση της εργασίας του, η οποία παρέμεινε σε σχετική αφάνεια για δεκαετίες. «Στην πραγματικότητα δεν το εφάρμοσε σε κανένα πραγματικό βιολογικό πρόβλημα», είπε ο Μάρεϊ. "Ήταν κυρίως ένα όφελος για τους μαθηματικούς που αναζητούσαν αναλυτικά προβλήματα."
Αν και υπήρξε μια έκρηξη θεωρητικής εργασίας και μοντελοποίησης υπολογιστή στη δεκαετία του 1970 που αναπαρήγαγε με επιτυχία μοτίβα όπως κηλίδες και λωρίδες χρησιμοποιώντας μηχανισμούς Turing, η μοριακή βιολογία δεν ήταν καθόλου κοντά στο σημείο όπου οι ερευνητές μπορούσαν να αναγνωρίσουν τα συγκεκριμένα μόρια που δρουν ως ενεργοποιητές και αναστολείς.
Η πιο πρόσφατη έρευνα υποδηλώνει ότι οι μηχανισμοί τύπου Turing μπορεί να είναι υπεύθυνοι για την απόσταση μεταξύ των τριχοθυλακίων στα ποντίκια και των μπουμπουκιών φτερών στο δέρμα ενός πουλιού, των ραβδώσεων που σχηματίζονται στον ουρανίσκο του ποντικιού και των δακτύλων στο πόδι του ποντικιού.
Ορισμένοι βιολόγοι παραμένουν δύσπιστοι ότι οι μηχανισμοί Turing είναι επαρκείς για να εξηγήσουν αυτά τα περιοδικά μοτίβα, ιδιαίτερα επειδή υπάρχουν άλλα βιώσιμα μοντέλα, συμπεριλαμβανομένου ενός που προτείνεται από τον Lewis Wolpert, επίτιμο αναπτυξιακό βιολόγο στο University College του Λονδίνου. Στο μοντέλο του Wolpert, τα κύτταρα ερμηνεύουν τη θέση τους στο χώρο με βάση το πόσο από κάθε μορφογόνο υπάρχει, με αποτέλεσμα ρίγες, κηλίδες ή ψηφία. Επιπλέον, ο Wolpert είπε, "κανείς δεν έχει ακόμη εντοπίσει τα μόρια που λειτουργούν για έναν μηχανισμό Turing υπό ανάπτυξη."
Αυτή η έλλειψη πειραματικής ταυτοποίησης ήταν το πιο σοβαρό εμπόδιο για τους υποστηρικτές του Turing, αλλά αυτό έχει αρχίσει να αλλάζει. Πέρυσι, ο Green και οι συνάδελφοί του εντόπισαν δύο χημικές ουσίες που συμπεριφέρονται ως ενεργοποιητές και αναστολείς, προκαλώντας τις κανονικά απέχουσες ραβδώσεις που βρίσκονται στην οροφή του στόματος σε έμβρυα ποντικών. Μια πρωτεΐνη που ονομάζεται αυξητικός παράγοντας ινοβλαστών (FGF) χρησιμεύει ως ενεργοποιητής και μια παραλλαγή γονιδίου που ονομάζεται Sonic hedgehog (Σς ) δρα ως αναστολέας. Όταν οι ερευνητές αύξησαν ή μείωσαν τη δραστηριότητα αυτών των χημικών ουσιών, το μοτίβο των κορυφογραμμών επηρεάστηκε ακριβώς όπως προέβλεπαν οι εξισώσεις του Turing.
Η βιολογία είναι ακατάστατη και περίπλοκη, με πολλούς συγχυτικούς παράγοντες, γεγονός που καθιστά δύσκολο να αποδειχθεί πειραματικά ότι ένα μοτίβο προκύπτει από έναν μηχανισμό Turing. Έτσι ο Γκριν και οι κοόρτες του αφαίρεσαν μία από τις κορυφογραμμές, αυξάνοντας έτσι το διάστημα μεταξύ των κορυφογραμμών. Αν δεν υπήρχε μηχανισμός Turing, θα είχε σχηματιστεί μια ράχη αντικατάστασης. Αντίθετα, οι ερευνητές είδαν επιπλέον κορυφογραμμές να αναδύονται σε ένα μοτίβο διακλάδωσης για να γεμίσουν τον χώρο - χαρακτηριστικό γνώρισμα του μοντέλου του Turing.
Εφαρμόσιμος σε οποιοδήποτε αριθμό συστημάτων, ο μηχανισμός Turing είναι σχεδόν πολύ γενικός. Οι ερευνητές έχουν εντοπίσει χαρακτηριστικά παρόμοια με τον Turing στην κατανομή των ειδών στα οικολογικά συστήματα, όπως το μοντέλο αρπακτικών-θηραμάτων, στο οποίο το θήραμα λειτουργεί ως ενεργοποιητές, επιδιώκοντας να αναπαραχθεί και να αυξήσει τον αριθμό τους, ενώ τα αρπακτικά δρουν ως αναστολείς, κρατώντας τον πληθυσμό σε έλεγχος. Οι νευρώνες, επίσης, μπορούν να περιγραφούν μαθηματικά ως ενεργοποιητές ή αναστολείς, ενθαρρύνοντας ή μειώνοντας την πυροδότηση άλλων, κοντινών νευρώνων στον εγκέφαλο.
"Εάν έχετε δύο διεργασίες που δρουν [ως ενεργοποιητής και αναστολέας], μπορείτε πάντα να λαμβάνετε περιοδικά μοτίβα από αυτές", είπε ο Green, δείχνοντας τους κυματισμούς που σχηματίζονται στους αμμόλοφους ως παράδειγμα. «Σαφώς δεν υπάρχουν μορφογόνα που διαχέονται εκεί. Απλώς οι διεργασίες έχουν μια ιδιότητα που μπορείτε να αναπαραστήσετε χρησιμοποιώντας μια συνάρτηση διάχυσης."
Ο Turing παραδέχτηκε το ίδιο στην αρχική του εργασία:«Αυτό το μοντέλο θα είναι μια απλοποίηση και μια εξιδανίκευση, και κατά συνέπεια μια παραποίηση», έγραψε. Αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι το μοντέλο είναι λάθος, αλλά είναι δύσκολο να προχωρήσουμε από τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς ενός συστήματος που φαίνεται να ακολουθεί έναν μηχανισμό Turing στον εντοπισμό των συγκεκριμένων φυσικών διεργασιών που δρουν ως ενεργοποιητές και αναστολείς. Για παράδειγμα, πειράματα με λωρίδες ψαριών ζέβρας έχουν δείξει ότι προέρχονται από έναν μηχανισμό Turing, αλλά αντί να εκκρίνουν χημικές ουσίες που εξαπλώνονται σε όλο το σύστημα, το ψάρι έχει δύο είδη κυττάρων που εξυπηρετούν τον ίδιο σκοπό με ενεργοποιητές και αναστολείς. Τα μόρια που είναι πιο πιθανό να διαδραματίσουν ρόλους ενεργοποιητή/αναστολέα μπορούν μόνο να ενσωματωθούν σε μια κυτταρική μεμβράνη και όχι να εκκριθούν. Έτσι, για να λειτουργήσει ο μηχανισμός, τα κύτταρα πρέπει να έχουν επαφή μεταξύ τους.
Ομολογουμένως, το μοντέλο Turing έχει ελλείψεις. Ένας μηχανισμός Turing από μόνος του δεν μπορεί να εξηγήσει την κλιμάκωση στα μοτίβα της φύσης. Τα αυγά κοτόπουλου είναι ένα καλό παράδειγμα απολέπισης, καθώς μπορεί να είναι μεγάλα, μικρά ή οτιδήποτε ενδιάμεσο, αλλά ανεξάρτητα από το μέγεθος ενός γονιμοποιημένου αυγού, εάν εκκολαφθεί, το προϊόν θα είναι ένας πλήρης νεοσσός - όχι ένα που λείπει κρίσιμο εξαρτήματα. «Η ερώτηση που ο Turing αποτυγχάνει να απαντήσει είναι:Πώς επιτυγχάνετε αυτή τη διαδικασία κλιμάκωσης;» είπε ο Γκριν.
Η απάντηση μπορεί να βρίσκεται σε μια νέα εργασία σχετικά με το σχηματισμό ψηφίων στα πόδια των εμβρύων ποντικών. Σύμφωνα με τη συν-συγγραφέα Maria A. Ros από το Πανεπιστήμιο της Κανταβρίας στην Ισπανία και το Ισπανικό Ερευνητικό Συμβούλιο, η μελέτη είχε στόχο να διερευνήσει τον πολυδακτυλισμό — τον σχηματισμό επιπλέον ψηφίων, για παράδειγμα ενός έκτου δακτύλου στο ένα χέρι.
Το σχέδιο ψηφίων είναι παρόμοιο με αυτό των λωρίδων. Αλλά παρόλο που τα δάχτυλα ανοίγουν με λωρίδες, η απόσταση μεταξύ των άκρων των δακτύλων - το μήκος κύματος, αν θέλετε - και η απόσταση μεταξύ των αρθρώσεων είναι διαφορετική. Το σχέδιο κλιμακώνεται αναλογικά. Εάν αυτές οι λωρίδες προκύπτουν από έναν μηχανισμό Turing, κάτι άλλο πρέπει να επηρεάζει την κλιμάκωση.
Αρκετά γονίδια σχετίζονται με τον πολυδακτυλισμό, κυρίως ένα γονίδιο που ονομάζεται Gli3 που ρυθμίζεται από το Σασ . Προηγούμενες μελέτες είχαν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι η απουσία και των δύο Gli3 και Σσς σε έμβρυα ποντικών θα οδηγούσε σε αύξηση μιας κατηγορίας γονιδίων που είναι γνωστά ως Hox γονίδια, απαραίτητα για τη σωστή ανάπτυξη της δομής του σώματος, συμπεριλαμβανομένου του αριθμού των δακτύλων και των ποδιών.
Τα ποντίκια έχουν 39 Hox γονίδια σε τέσσερις διακριτές ομάδες. Ο Ros αποφάσισε να δοκιμάσει την υπόθεση ότι περισσότερα Hox Τα γονίδια οδήγησαν σε περισσότερα ψηφία με σταδιακά νοκ άουτ του Hox παραλλαγές. Περίμενε ότι ο αριθμός των ψηφίων θα μειωνόταν όσο πιο Hox γονίδια αφαιρέθηκαν. Αντίθετα, συνέβη το αντίθετο:όσο περισσότερο Hox γονίδια αφαιρέθηκαν, εμφανίστηκαν τα περισσότερα επιπλέον ψηφία — έως και 15 σε μία περίπτωση.
Και τα επιπλέον ψηφία ήταν πιο λεπτά και πιο κοντά μεταξύ τους. χωρίστηκαν σε ένα μοτίβο διακλάδωσης — το ίδιο μοτίβο που παρατήρησε ο Green στα πειράματά του με τις κορυφογραμμές στους ουρανίσκους των ποντικών. Όταν ο Τζέιμς Σαρπ, βιολόγος συστημάτων στο Κέντρο Γονιδιωματικής Ρύθμισης στη Βαρκελώνη και ένας από τους συν-συγγραφείς του Ρος, τροφοδότησε τα πειραματικά δεδομένα για το πάχος και την απόσταση των ψηφίων στα μοντέλα του υπολογιστή του, μπόρεσε να αναπαράγει το αποτέλεσμα μέσω ενός Turing. μηχανισμός.
Αποδεικνύεται ότι λειτουργούν δύο διαδικασίες στο μοτίβο ψηφίων:ο μηχανισμός Turing που παράγει το μοτίβο με ρίγες και ένας δεύτερος μηχανισμός συντονισμού για τον έλεγχο της κλιμάκωσης μέσω του Hox γονίδια. Ο Sharpe προτιμά να τα βλέπει ως διαφορετικές πτυχές του ίδιου μηχανισμού.
Ίσως είναι καλύτερο να θεωρήσουμε το μοντέλο του Turing ότι παίζει συγκεκριμένο ρόλο ανάπτυξης στο πλαίσιο ενός ευρύτερου βιολογικού συστήματος, σε συνεννόηση με άλλους παράγοντες, παρά ως αυτόνομο μηχανισμό. "Η διαδικασία Turing είναι ένα κομμάτι του παζλ για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συνεργάζονται πολλά μορφογόνα", είπε ο Green.
Γνωρίζουμε ήδη ότι τα γονίδια αλληλεπιδρούν τόσο με άλλα γονίδια όσο και με μυριάδες περιβαλλοντικούς παράγοντες για να εκφράσουν χαρακτηριστικά. «Για να κατανοήσουμε πραγματικά τη βιολογική ανάπτυξη, πρέπει να γνωρίζουμε πώς τα γονίδια επηρεάζουν τα φυσικά στοιχεία που δημιουργούν τα παρατηρούμενα μοτίβα και, φυσικά, ποια είναι τα πραγματικά βιολογικά στοιχεία και πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους», είπε ο Murray. Και πάλι, η θεωρητική μοντελοποίηση έχει τη θέση της. "Αν το μόνο που έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε για να κατανοήσουμε την ανάπτυξη ήταν γενετική, δεν θα ξέραμε πώς να φτιάξουμε ένα κοτόπουλο."
